汽车车灯之远近光模组的前世，今生，和未来

蓝尚平

马瑞利汽车零部件（芜湖）有限公司上海分公司 上海市 201208

1 引言

如今，汽车行业发展迅猛，车灯技术突飞猛进。如果把汽车比作当今世界奔跑在马路上的千里马，那么安装在汽车前大灯里的远近光模组可谓就是这匹千里马的眼睛。这双行驶在路上的眼睛一直备受人们关注，无论是其外在的美观性还是内在的功能性，更新换代速度可谓日新月异。特别是近年来LED 照明技术和激光光源的不断发展成熟，给远近光模组的创新带来了更多的可能性和挑战性，更精细更智能的远近光模组必然会在未来的路面上大放异彩。

2 远近光之传统实现方式

在1885 年德国人卡尔·本茨发明汽车之初，人们对车灯的功能和外观并没有太多的要求，照明功能是汽车在漆黑的晚上行驶的唯一迫切需求。自然的，当时的煤油灯甚至蜡烛便成了汽车上最早的照明工具。不过这种明火照明方式太依赖于有限的燃料，对能源的浪费非常严重，不但不环保节能，而且发光效率非常低，照射距离非常有限，在这种照明方式的路况下行驶，有极大的安全隐患。基于此，当时的人们迫切找到一种能够替代煤油灯的更有效的行车照明方式。

不久之后，科学家在一次化学反应中得到了一种新的能源--乙炔。乙炔是利用碳化钙和水发生化学反应生成的一种无色无味的气体，它可以作为燃料燃烧发光。将乙炔应用到汽车上给汽车照明，需要在车上安装一个乙炔发生器，其工作原理是利用汽车行车过程中的颠簸促进化学反应的发生从而生成乙炔。点亮的乙炔车灯亮度可以达到煤油灯的几百倍，有效的提升了夜间行驶的舒适性和安全性。但乙炔灯的缺点是使用寿命非常有限，而且在下雨天遇水即灭，并且会产生大量有毒白烟，对人体健康造成危害，乙炔车灯很快就遭到了淘汰。

随着电灯的发展，乙炔灯退出了车灯历史的舞台，取而代之的是日渐成熟的白炽灯。不过由于刚开始的碳丝白炽灯灯丝太过脆弱，经不起道路的颠簸，直到螺旋钨丝白炽灯的出现才被广泛用于车灯。当时流行的螺旋钨丝白炽灯在耐用度和照射强度相比乙炔灯都有了极大的提升，不过这种白炽灯的发光效率仍然不高。在传统的白炽灯灯壳中注入卤族元素便诞生了新一代白炽灯—卤素灯。初期用于车灯的卤素灯诞生于1960 年代，就如同人们对车辆的速度与舒适性的追求永无止境一样，随着卤素灯技术发展到极限，亮度更高、能耗更低、寿命更长的光源亟待开发。90 年代，车灯制造商海拉将技术成熟的氙气车灯推向了市场。氙气灯是电弧发光，没有灯丝，所以能提供比卤素灯更稳定的照明输出。且氙气灯的光照强度比卤素灯高三倍，耗能却仅为其三分之二。氙气灯的光色与日光近乎相同，为驾驶者创造出更佳的视觉感受。氙气灯的这些优势和特点大大改善了驾驶的安全性和舒适性。

以卤素灯和氙灯为光源的远近光的设计方式通常有两种，如图1。一种是灯泡加一个大的反光碗的实现形式，无挡光片。远近光的光型，包括明暗截止线和中心照明区域及照射展宽均由反光碗的不同区域经过光学设计后直接将光源发出的光反射到对应区域形成。这种方式的远近光均匀性较差，照射展宽有限。另一种方式是光源加一个小的反射碗加一个玻璃透镜组成，截止线形状则是由反射碗与透镜之间的一片可翻转的金属挡板来实现。挡板不翻转的时候光线从挡板上方通过形成近光光型，当拨动远光灯开关，挡板被电机带动翻转后光线从挡板位置通过形成远光。这两种实现方式的远近光车灯当前在一些低版本的车型上仍然可见，从光学原理上来讲，后者便可以称之为一种远近光模组了。

图1 远近光传统实现方式

3 目前常用的远近光模组技术

随着现代科技的蓬勃发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对车灯的要求越来越高，特别是对于承担照明功能的远近光，早已不能满足于传统的灯泡加反光碗的实现形式。充满科技感，现代感，造型美观富有个性化特色的远近光模组越来越受到人们的青睐。得益于LED 技术的发展，特别是大功率LED 技术的提高和成本的降低，我们的这种需求才得以逐步实现。目前市场上最常用最成熟的的远近光模组实现方式大体可以分为两种：反射式和直射式,如图2 所示。

图2 远近光模组实现方式

3.1 反射式模组主要由反射碗reflector，挡光片shutter 和投影透镜projection lens 组成。反射碗的光学设计是模组设计中最重要的环节，车灯法规中有对测试点的亮度要求，整车厂还有各自额外的照明需求和对路面均匀性的要求，这些都需要通过对反射碗的特定设计来实现。反射碗通常会分为多个腔，每个腔对应一颗LED，腔越多，LED 越多则模组的输出光通量就越大，路面均匀性也会越好。但与此同时带来的不足是，模组的体积和重量也会变大。以3 个腔的近光为例，我们可以用中间的一个腔配合一颗多芯片的LED 来实现近光光型对中间区域的照明要求，旁边两个腔各配合一颗单芯片LED 来实现光型中对展宽的要求。腔与腔之间的结合部必然会产生暗区，可以通过优化反射面的面型来改善。每个腔的反射面都可以被细分为多个小面，每个小面的面型在上下左右方向都可以单独调节。最终由所有小面反射的光型结合组成一个光学性能和均匀性都符合要求的整体近光或远光光型。LED 发出的光线经过反射碗反射后经过挡光片，挡光片是带有截止线形状的金属片或塑料件，放置于投影透镜的后焦面。截止线形状通常有Z 字形和带有类似浴缸的凹坑形，后者是为了在不使对向来车炫光的前提下增加左侧区域照射范围。近光的反射碗通常位于挡光片上方，远光反射碗位于挡光片下方。两者可以同时存在于同一个模组单元中实现远近光一体的双功能模组。由于金属挡光片或者塑料加镀膜的挡光片有一定的反射率，可以反射一部分光能，所有能够提升模组的总体输出光效。投影透镜的作用是将带着截止线形状的远近光光型投射到路面，实现照明功能，透镜开口尺寸越大，光效越高，当前市面常见的开口尺寸一般在45mm*65mm 左右。透镜材料通常有玻璃和PMMA,玻璃适用于球面透镜，PMMA 材料可塑性强，适用于加工各种面型的透镜。由于过于清晰锋利的截止线不利于行车安全，所以透镜的前后表面可以适当增加微结构来弱化截止线清晰度来得到让驾驶员眼睛最舒适的截止线，甚至可以在透镜上增加一定数量的小凸点或凸台来增加法规中对于三区的照度要求。

3.2 直射式模组的必要组成部件中也包含反射式模组的挡光片和投影透镜，与反射式最大的区别就是没有反射碗，取而代之的是带有聚光器和可调节出光面的初级配光透镜，其作用与反射碗类似，对光源发散出来的光进行初次调配，对其进行的光学设计是直射式模组最重要的环节之一。远近光法规，整车厂spec 和路面均匀性都需要通过不断优化聚光器和出光面面型来达到最佳。初级配光透镜通常有多个聚光器单元组成，每个聚光器对应一颗LED，聚光器越多，LED 颗粒越多，则模组的输出光通量越大，路面均匀性越好。同理，聚光器越多对整个模组的体积和重量都会增大。直射式模组因为用到聚光器，光效和均匀性相比反射式更优。直射式模组也可以是单近光，单远光，或者远近光一体。因为聚光器的造型多样，在双功能模组中，甚至可以利用远光的初级配光镜与挡光片结合为一个零件，一方面作为远光的配光镜，另一方面其上表面可以作为近光的挡光片。这种形式可以节约成本简化安装工艺缩短公差链。直射式模组的另一种简化方式是，直接舍去挡光片，近光的截止线完全通过调节初级配光镜的出光面来实现。这种设计方式有助于现实更窄开口的模组，与现今流行的扁平细长的模组审美观相契合，会是将来的一个趋势。直射式模组的另一个优势在于实现ADB 功能，将初级配光镜设计成多像素的矩阵式结构，每一个像素单元对应一颗LED 或一个发光芯片，每一个像素都可以单独亮灭，配合相应的软硬件和电路设计可以实现形式多样的动态照明模式。作为ADB 功能的补充照明，可以增加一个带有基础光型的模组，该模组的挡光片不带任何折角，投射在路面是一个带水平截止线的均匀补光光型。初级配光镜的材料通常是PC，对于耐热要求较高的情况可以用PMMI，ADB功能的配光镜还可以使用硅胶。

以上不论是反射式模组还是直射式模组都可以是单功能或者双功能一体，还可根据车型需求安装一个或者多个模组单元包括补光模组来满足整车照明和造型的需求。

4 远近光模组之创新与挑战

4.1 微型化

正如前面提到的,模组的透镜开口尺寸越大，光效率越高，越有利于实现更均匀的远近光灯。然而大尺寸的模组就需要占用汽车大灯里更多的空间，大灯里留给远近光模组的空间是很有限的，特别是对于需要安装多个模组的车型，大尺寸模组的局限性渐渐体现出来。从主观性来看，大尺寸透镜模组的外观略显笨重，与现代人的审美观念渐渐不相符。近年来，窄长扁平开口的模组概念逐渐被提出，如15mm*100mm。因为这种模组占用空间小，重量轻，节省材料和成本，受到各汽车制造商的青睐。从汽车用户的角度出发，这种模组外观更显现代科技感，能更好的展示出整车外观的线条性，是当前审美的流行趋势。然而对于车灯设计商来讲，窄开口模组的设计充满了挑战。首先更高效的模组依赖于更高效的光源，高功率LED 或激光光源的技术成熟是必要条件之一，然而没有哪种光源是完美的，产生高亮度的同时也会产生高热量，在如此窄小的模组空间里如何解决散热问题是急需突破的难点。从光学设计的角度来看，越来越窄开口的模组如何满足越来越严苛的照明和均匀性要求，摒弃成熟的模组设计概念，开发一种更高效的光学系统是实现窄开口模组关键。当前，窄开口模组的研发正在如火如荼的进行中，并有部分车型已经尝试采用这种模组。然而，时代的脚步从不停息，模组的微型化也不会止于当前的窄开口尺寸，更窄，更轻，更亮，更节能，或许是微型化之永恒话题。

4.2 智能化

智能化往往与微型化相辅相成，现在正是智能化时代，汽车的智能化必将是时代智能化的重要标志，汽车智能化显然少不了智能化的远近光模组系统。静态的远近光光型已经不能满足市场需求，越来越多的智能化附加功能需要被集成到车灯模组当中。当前，部分车灯已经带有一些智能化功能，比如自适应照明系统AFS（Adaptive Front lighting System）。顾名思义，这种带AFS 功能的模组能够根据行车速度、转向角度等自动调节模组的偏转，以便能够提前照亮转向区域，提供全方位的安全照明，以确保驾驶员在任何时刻都拥有最佳的可见视野，从而增强黑暗中驾驶的安全性。还有一种称为智能远光的模组系统，自适应远光灯系统ADB(Adaptive Driving Beam)。ADB技术通过摄像头输入路况信号，判断前方来车或者行人的位置与距离，并相应调整对应位置的那一颗LED 的亮灭，从而避免对来车或行人产生炫光，同时最大限度地满足驾驶者的视野需求。虽然当前的ADB模组尚未完全普及，但更高的智能化要求已然被提出。当前技术中的ADB 模组是单LED 阵列，单LED 阵列的矩阵模组由于像素单元还是太少，不够精细，投射在路面像素之间的区分明显，均匀性较差，可实现的智能化功能很有限。未来在路面不只有照明需求，投射车道线，斑马线，警示标志甚至一行文字一张图片等，可能是未来智能模组系统必备的功能之一。显然，更精细更高像素的投射效果离不开集成更多芯片，尺寸更小的micro-LED 为代表的新的光源的发展成熟，和更精密的窜光更少的光学系统的设计，这些将是未来模组智能化进程的难点和挑战。而且未来高智能化和数字化模组与导航，摄像，雷达系统的联动将使车灯照明到达新的高度。

5 小结

如上所述，我们可以看到作为汽车照明担当的远近光功能经历了从原始方式到现代的模组方式的巨大飞跃。然而时代发展的脚步从未停止过，车灯法规不断更新换代，新的材料不断引进推出，审美观念不断变化，光源技术不断发展，模组的创新是永无止境的，更微型化更智能化的模组必将成为未来汽车照明中不可或缺的组成部件。